專利名稱：帶同步加熱的板材激光微拉深成形方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進制造領(lǐng)域，具體涉及一種針對超薄板材的、帶同步加熱的脈沖激光微拉 深成形方法及實現(xiàn)該方法的裝置。
背景技術(shù)：
拉深成形是一種常見的板料成形工藝，通常是借助于凸模、凹模和壓邊圈來完成的。但 是，這種宏觀制件的傳統(tǒng)拉深成形方式，應(yīng)用于微型零件制造時，存在著很多弊端。比如， 微凸模的制造非常困難，凸模與凹模的對中以及間隙保證很不容易，凸模的行程也很難控制。 另外，這種借助于凸模和凹模的相對運動進行的機械成形，屬于準靜態(tài)成形方式，成形效率 低。再者，材料在微尺度時，由于晶粒數(shù)量的減少通常呈現(xiàn)低可成形性，即出現(xiàn)所謂的尺度 效應(yīng)，所以，用傳統(tǒng)方法進行微型零件的拉深成形時，往往很難成功。因此，必須尋求板材 微拉深成形的新方法。美國力口州大學Hackel Lloyd申請的專利"Contour Forming of Metals by Laser Peening"(專利號W00105549),提出通過激光沖擊板材表面，利用其殘余應(yīng)力釋放產(chǎn)生微 曲度進行微變形，但是，這種方法的變形量難以控制。中國專利文件CN101020276公開了"基于大光斑單次激光沖擊的薄板半模精密成形方法" (申請?zhí)?00610161353.5)，它利用脈沖激光沖擊工件表面的柔性貼膜，使其氣化電離并形 成沖擊波而壓向工件，加上成形半模的作用，最終得到與半模形狀一致的塑性成形試樣。該 方法在板材表面采用了柔性貼膜，變形的驅(qū)動力來自材料電離產(chǎn)生的沖擊力，而不是激光的 熱效應(yīng)，所以屬于冷成形方式。但是，很多材料在冷態(tài)高應(yīng)率時的延展性很差，限制了該方 法的成形限極和應(yīng)用范圍。美國專利文件US2007/0039933A1則公開了能夠進行預(yù)加熱的激光動態(tài)成形方法"System and Method of Laser Dynamic Forming"(申請?zhí)枮?1/507064)，它首先預(yù)熱板材，然后用 一束激光產(chǎn)生材料變形所需的沖擊力。其技術(shù)缺陷表現(xiàn)在1)板材預(yù)熱與激光沖擊分開進 行，工作效率低；2)預(yù)熱在是施加了約束層以后進行的，對超薄的金屬板材，熱量會迅速 流向約束層及凹模，影響預(yù)熱效果；3)不便采用水做約束層，否則會因板材預(yù)熱而汽化；4) 對于拉深成形，工藝要求板材的邊緣區(qū)域受熱軟化，以便于往凹模中流動，板材的中心部分 要保持冷態(tài)，以保證具有足夠的強度而不致拉裂，但該專利技術(shù)通過激光掃描預(yù)熱板材時， 熱量會很快地流到板材的中心區(qū)域(對微型零件尤其如此)，使本不該加熱的區(qū)域受到加熱 而軟化，容易導(dǎo)致微型拉深件的破裂，不能獲得大的變形量；5)不便采用壓邊圈，板料拉 深時易于起皺，影響零件質(zhì)量。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種能克服上述技術(shù)缺陷、成形效率高、零件質(zhì)量好、 操作方便、容易控制、并能獲得大的變形量的、帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法 及其裝置。發(fā)明概述本發(fā)明的帶同步加熱的脈沖激光微拉深成形方法，是一種針對超薄板材(厚度小于 O.lmm)、用一束激光在板材背面進行加熱、同時另一束激光在板材正面進行沖擊、并借助于 微凹模(凹模直徑小于4mm)和壓邊圈進行的拉深成形方法。發(fā)明詳述本發(fā)明的技術(shù)方案如下帶同步加熱的脈沖激光微拉深成形方法，將板材夾持在壓邊圈和凹模之間，并放置在三 坐標工作臺上，來自激光發(fā)生器B的加熱用激光束和來自激光發(fā)生器A的沖擊用激光束，分 別照射板材的兩個表面，使所述的加熱用激光束和沖擊用激光束同軸；調(diào)整所述的三坐標工作臺，使加熱用的環(huán)狀激光束與板材對中并達到要求的光斑大小沖擊用激光朿的光斑大小 則由激光器發(fā)生器A的激光束空間調(diào)制器進行調(diào)整；激光發(fā)生器B發(fā)出的環(huán)狀激光束透過凹模對板材邊緣區(qū)域進行加熱，增加該區(qū)域材料的 塑性，降低屈服強度，使邊緣區(qū)域的材料易于發(fā)生塑性流動；激光發(fā)生器A發(fā)出的柱狀短脈 沖激光束，其能量密度大于板材材料的點火閾值，使沖擊用激光束產(chǎn)生垂直于板材表面的沖 擊力，該沖擊力大于板材的動態(tài)屈服強度，使板材材料流入凹模之中，最后在凹模中得到微 型拉深試樣。所述的壓邊圈用金屬或陶瓷材料制做。所述的壓邊圈設(shè)有中心孔，中心孔與光束尺寸相當，使激光束能恰好通過壓邊圈的中心孔。所述的凹模用透明材料制做，凹模直徑小于4mm。 壓邊圈與凹模之間的間隙或夾緊力按拉深要求調(diào)整。 所述的板材是超薄板材，厚度小于0. lmm。優(yōu)選的，當板材是鋁箔材料時，激光發(fā)生器A發(fā)出柱狀短脈沖激光束的能量密度應(yīng)大于 84J/cm2。要求柱狀短脈沖激光束能量密度大于板材材料的點火閾值，使該激光束與材料相互 作用產(chǎn)生等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量而爆炸，產(chǎn)生垂直于板材表面的沖擊力。更為優(yōu)選的技術(shù)方案是，為了增加板材對激光能量的吸收，在將板材置入模具之前，在 板材表面預(yù)先覆蓋保護層，該保護層使加熱用激光具有更高的熱效率，同時使沖擊用激光更 易在板材表面生成等離子體而不致燒蝕板材本身。保護層一般為黑漆、石墨或鍍膜，厚度 20-100/m。當板材被壓邊圈和凹模夾持后，通過壓邊圈的中心孔，在板材上覆蓋一層蒸餾水，厚度約為l-3mm，該蒸餾水層稱為約束層，在等離子體爆炸時起約束作用，使沖擊力更 多地壓力板材。實驗研究表明，當采用蒸餾水做約束層時，沖擊力可以達到?jīng)]有任何約束層 時的4倍。為了保證凹模的剛度以及柱狀激光束的透過率，凹模材料優(yōu)選為藍寶石。為了保 證超薄板材的加熱效果，壓邊圈的熱傳率應(yīng)盡可能低，本發(fā)明優(yōu)選Zr02陶瓷作為壓邊圈材料。 壓邊圈的中心孔與光束尺寸相當，其間隙不大于0.05mm，使激光束能恰好通過壓邊圈的中心 孔，其原因在于，等離子體爆炸時是呈近似球狀向外高速膨脹的，壓邊圈的中心孔能夠限制 等離子體的膨脹和水的飛濺，從而獲得更大的沖擊力。沖擊用激光束優(yōu)選長波長短脈沖激光。 采用上述優(yōu)選方案的帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法的工作過程如下將激 光發(fā)生器B發(fā)出的環(huán)狀激光束，通過透明的藍寶石凹模，照射超薄板材邊緣區(qū)域的黑色保護 層，板材邊緣區(qū)域瞬間被加熱。同時，激光發(fā)生器A發(fā)出的高能量密度的柱狀短脈沖激光束， 通過陶瓷壓邊圈的中心孔，透過蒸餾水約束層，照射在板材中心區(qū)域的黑色保護層上，該保護層的表層被瞬間燒蝕、氣化電離，并產(chǎn)生等離子體，等離子體繼續(xù)吸收激光能量變得高溫 高壓，向四周爆炸膨脹，因為水約束層的限制作用，等離子體產(chǎn)生垂直于板材表面的沖擊力， 該沖擊壓力可達到109Pa量級，遠遠大于板材的動態(tài)屈服強度，并在藍寶石凹模的作用下， 使板材發(fā)生微拉深變形。由以上描述可以看出，本發(fā)明的重要技術(shù)特點在于1)使用透明凹模、使用環(huán)狀激光 束進行加熱2)加熱用激光束和沖擊用激光束在兩個方向照射板材，板材夾持在壓邊圈與 凹模之間；3)在柱狀激光束進行沖擊成形過程中，環(huán)狀激光束穿過透明凹模對板材的邊緣 區(qū)域進行同步加熱。帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法的工藝參數(shù)包括激光能量、脈沖寬度、脈沖 頻率、脈沖次數(shù)、光斑直徑、材料種類、板材厚度、約束層(可選)厚度、保護層(可選) 的類型和厚度。其中激光能量、脈沖寬度、脈沖頻率、脈沖次數(shù)，通過激光控制器調(diào)節(jié)和控 制。加熱用激光束的光斑大小通過三坐標工作臺進行調(diào)節(jié)，其原理是調(diào)節(jié)板材與激光束焦點 間的距離。沖擊用激光束的光斑大小由相應(yīng)的激光器發(fā)生器的附屬裝置激光束空間調(diào)制器進 行調(diào)節(jié)。以上工藝參數(shù)可根據(jù)加工板材的材料及板料成形的具體要求參照本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)經(jīng) 有限的實驗來確定。實現(xiàn)該方法的專用裝置包括激光控制器、激光發(fā)生器A、激光發(fā)生器B、凹模、壓邊圈、 三坐標工作臺，凹模直徑小于4mm，壓邊圈和凹模之間固定板材，置于三坐標工作臺上，來自 激光發(fā)生器B的加熱用激光束和來自激光發(fā)生器A的沖擊用激光束，分別照射板材的兩個表 面。作為該發(fā)明的一種變型和延伸，也可以僅使用激光器A，將激光器A發(fā)出的激光束，經(jīng) 分光鏡分為兩束柱狀激光，其中一束激光照射在板材的正面用于產(chǎn)生沖擊力，另一束激光經(jīng) Axicon透鏡轉(zhuǎn)換為環(huán)狀激光束，并引導(dǎo)到板材的背面用于加熱。通過本發(fā)明的這種方法，可以加工鋼、鋁、銅等金屬及合金材料，也可加工部份非金屬 材料，能夠加工塑性好的材料，也可加工常溫下的硬脆材料。本發(fā)明的成形方法能顯著提高材料的強度、抗磨損、抗腐蝕和抗疲勞性能，特別適合于 用超薄板材進行的微形筒形件或微型球形件的成形，可以應(yīng)用于微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元器件制造 領(lǐng)域，如手機微聽筒的制造中。本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢在于1) 是無凸模成形，避免了微塑性成形中最棘手的凸模制造、間隙保證和行程控制等問 題，激光束作為柔性沖頭能使板材達到高成形精度,并將微尺度摩擦的影響降到最低；2) 環(huán)狀激光束僅快速加熱板材的邊緣區(qū)域并使之軟化，板材中心區(qū)域仍然處于冷態(tài)， 因此，邊緣區(qū)域的材料易于流向凹模內(nèi)部，但中心區(qū)域的材料仍保持較高強度。所以，板材 不易拉裂，能獲得更大的成形量；3) 板材預(yù)熱與沖擊成形同步進行，成形速度快、效率高；4) 壓邊圈約束了等離子體的膨脹，能夠獲得大的沖擊力，并防止板材起皺；5) 是高應(yīng)變率成形(〉105s—')，由于應(yīng)力波前沿所引起的大量位錯和嚴重塑性變形，能 夠使變形區(qū)組織均勻和細化；


圖1是帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形裝置示意圖。圖2是帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形原理示意圖。其中l(wèi).激光控制器；2.激光發(fā)生器A; 3.柱狀脈沖激光束；4. 約束層(可選)；5.保護層(可選)；6.壓邊圈；7.板材；8.凹模；9.三坐標工作臺；10. 環(huán)狀激光束；ll.激光發(fā)生器B; 12.等離子體。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明提出的技術(shù)方案的細節(jié)和工作情況。為本發(fā)明進行帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形裝置如圖1。激光控制器1與激光發(fā)生器A2和激光發(fā)生器B11相連，激光控制器1控制激光發(fā)生器A 2和激光發(fā)生器B 11的 工作參數(shù)，包括能量、脈沖寬度、脈沖頻率、脈沖次數(shù)等。壓邊圈6與凹模8將板材7夾持 在其間，并一同放置在三坐標工作臺9上。激光發(fā)生器A 2發(fā)出柱狀脈沖激光束3，激光發(fā) 生器Bll發(fā)出環(huán)狀激光束10。調(diào)整三坐標工作臺9，使柱狀脈沖激光束3與壓邊圈6的中心 孔對中。由于柱狀脈沖激光束3與環(huán)狀激光束10同軸，所以，環(huán)狀激光束10也與模具對中。 迸一步調(diào)整三坐標工作臺，以調(diào)整環(huán)狀激光束10的光斑大小，使之按工藝要求能夠加熱板 材的邊緣區(qū)域。調(diào)節(jié)激光發(fā)生器A的附屬裝置一一激光束空間調(diào)制器，調(diào)整柱狀脈沖激光束 3的光斑大小，使之能夠順利通過壓邊圈6的中心孔。本發(fā)明的帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形原理如圖2，其具體實施方法是開啟 激光發(fā)生器A2和激光發(fā)生器B11。激光發(fā)生器B11發(fā)出的環(huán)狀激光束10，透過透明凹模8， 在板材的背面對板材的邊緣區(qū)域進行加熱；同時，激光發(fā)生器A2發(fā)出柱狀短脈沖激光束3， 通過壓邊圈6的中心孔，在板材的正面照射板材的中心區(qū)域，并產(chǎn)生等離子體12，等離子體 12繼續(xù)吸收激光能量而爆炸，產(chǎn)生垂直于板材7表面的沖擊力，使材料流入凹模8之中，最 后在凹模8的約束下得到微型拉深試樣(如圖2)。為了增強激光能量的利用率并保護板材不被灼傷，可以在板材7表面覆蓋保護層5，保 護層5可以如圖1所示僅覆蓋板材7正面被激光束3照射的部位，也可以同時覆蓋在板材7 背面被激光束10照射的部位。為了對等離子體12的爆炸起約束作用，可以在壓邊圈6與凹 模8將板材7夾緊后，通過壓邊圈6的中心孔，在板材7的中心部位覆蓋一層厚度約為l-3mm 的、稱之為約束層的蒸餾水4 (如圖l)。采用優(yōu)化方案的帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法的具體實施方式
是，在激光 控制器l的控制下，將激光發(fā)生器B11發(fā)出的環(huán)狀激光束10，通過透明凹模8，照射超薄板 材7邊緣區(qū)域的黑色保護層，板材邊緣區(qū)域瞬間被加熱。同時，激光發(fā)生器A2發(fā)出的高能 量密度的柱狀短脈沖激光束3，通過壓邊圈6的中心孔，透過蒸餾水約束層4，照射在板材 中心區(qū)域的黑色保護層5上，該保護層5的表層被瞬間燒蝕、氣化電離，并產(chǎn)生等離子體12， 等離子體12繼續(xù)吸收激光能量變得高溫高壓，向四周爆炸膨脹，因為水約束層4和壓力圈6 中心孔的限制作用，等離子體12產(chǎn)生垂直于板材7表面的沖擊力，并在凹模8的作用下， 使板材7發(fā)生微拉深變形，最終得到圖2中的拉深件7。產(chǎn)生環(huán)狀激光束10的另一種變通方式是，將激光器A2發(fā)出的激光束，經(jīng)分光鏡分為兩 束柱狀激光，其中一束為柱狀激光束3，它照射在板材7的正面用于產(chǎn)生沖擊力，另一束柱 狀激光經(jīng)Axicon透鏡轉(zhuǎn)換為環(huán)狀激光束10，并引導(dǎo)到板材7的背面用于加熱。板材7可以是鋼、鋁、銅等金屬及合金材料，也可是硅等非金屬材料，可以是塑性好的 材料，也可加工常溫下的硬脆、難變形的材料。
權(quán)利要求
1、帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法，其特征在于，將板材夾持在壓邊圈和凹模之間，并放置在三坐標工作臺上，來自激光發(fā)生器B的加熱用激光束和來自激光發(fā)生器A的沖擊用激光束，分別照射板材的兩個表面，使所述的加熱用激光束和沖擊用激光束同軸；調(diào)整所述的三坐標工作臺，使加熱用的環(huán)狀激光束與板材對中并達到要求的光斑大小；沖擊用激光束的光斑大小則由激光器發(fā)生器A的激光束空間調(diào)制器進行調(diào)整；激光發(fā)生器B發(fā)出的環(huán)狀激光束透過凹模對板材邊緣區(qū)域進行加熱，增加該區(qū)域材料的塑性，降低屈服強度，使邊緣區(qū)域的材料易于發(fā)生塑性流動；激光發(fā)生器A發(fā)出的柱狀短脈沖激光束，其能量密度大于板材材料的點火閾值，使沖擊用激光束產(chǎn)生垂直于板材表面的沖擊力，該沖擊力大于板材的動態(tài)屈服強度，使板材材料流入凹模之中，最后在凹模中得到微型拉深試樣。
2、 如權(quán)利要求1所述帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法，其特征在于，所 述的壓邊圈是金屬或陶瓷材料制成，壓邊圈設(shè)有中心孔。
3、 如權(quán)利要求2所述帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法，其特征在于，所 述的壓邊圈是Zr02陶瓷材料。
4、 如權(quán)利要求1所述帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法，其特征在于，所 述的凹模用透明材料制做，凹模孔直徑小于4mm。
5、 如權(quán)利要求4所述帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法，其特征在于，所 述的凹模是藍寶石材料。
6、 如權(quán)利要求l所述帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法，其特征在于，所 述的板材是超薄板材，厚度小于0. lmm。
7、 如權(quán)利要求1所述帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法，其特征在于，所 述的板材表面預(yù)先覆蓋保護層，保護層選自黑漆或石墨，厚度20-100pm。
8、 如權(quán)利要求1所述帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法，其特征在于，所 述的板材被壓邊圈和凹模夾持后，再在板材上覆蓋一層蒸餾水約束層，厚度為l-3mm。
9、 實現(xiàn)權(quán)利要求1所述帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法的裝置，包括激 光控制器(1)、激光發(fā)生器A (2)、激光發(fā)生器B (11)、凹模(8)、壓邊圈(6)、三坐標 工作臺(9);所述凹模孔直徑小于4咖，壓邊圈和凹模之間固定板材，置于三坐標工作臺 上，來自激光發(fā)生器B的加熱用激光束和來自激光發(fā)生器A的沖擊用激光束，分別照射板 材的兩個表面。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶同步加熱的板材脈沖激光微拉深成形方法及實現(xiàn)該方法的專用裝置。板材夾在微型拉深凹模和壓邊圈間，用環(huán)狀激光束透過透明凹模對板材邊緣區(qū)域進行加熱，同時用能量密度大于材料點火閾值的短脈沖激光照射板材，通過激光與材料相互作用時產(chǎn)生的等離子體沖擊波沖擊板材，并使之發(fā)生塑性變形，得到與凹模形狀吻合的拉深件。本方法成形速度快，可成形常溫下難變形材料，并能顯著提高材料的強度、抗磨損、抗腐蝕和抗疲勞性能，特別適合于用超薄板材進行的微小筒形件的拉深成形或微型球形件的脹形成形，可用于制造微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)元器件。
文檔編號B23K26/42GK101332538SQ20081013871
公開日2008年12月31日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者韌 劉, 忠 季, 林樂嘉 申請人:山東大學